錢 姍，吳 迪，高賢彪，李 妍

（天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，天津 300380）

近些年，我國污水的處理再生工藝取得長足發(fā)展，處理效果隨著國家及地方標(biāo)準(zhǔn)的提高也在不斷進(jìn)步，但農(nóng)村地區(qū)污水處理率始終不高，制約農(nóng)村水污染治理工程普及的原因主要為經(jīng)濟發(fā)展水平低及生活習(xí)慣差距。農(nóng)村地理位置分散，鋪設(shè)連接多個村莊的排水管網(wǎng)難度大，所以通常只能以村為單位修建一個處理站。而在有條件修建集中污水處理站的村莊，由于人口少、管網(wǎng)滲水、生活習(xí)慣等原因可進(jìn)入處理站的污水量少、變化系數(shù)大、水質(zhì)波動明顯高于市政污水處理廠進(jìn)水。因此，城鎮(zhèn)污水處理廠經(jīng)常采用的常規(guī)、成熟的工藝要針對農(nóng)村生活污水水質(zhì)水量特點做出適應(yīng)性改變，開發(fā)出適用于農(nóng)村生活污水的高效低能新技術(shù)、新工藝。

工程化應(yīng)用的污水處理工藝大多以生物法作為二級處理，輔以沉淀、過濾等物理手段以及化學(xué)除磷等化學(xué)手段。因此發(fā)揮作用的主體是活性污泥，任何超過一般微生物適應(yīng)能力的環(huán)境條件都會造成活性污泥生態(tài)失衡，從而破壞其污染物降解功能。影響農(nóng)村生活污水處理效果的除了以上提到的水量波動外，還包括進(jìn)水污染物濃度、冬季低溫等因素?；谑姓鬯幚韽S的運行經(jīng)驗，目前普遍認(rèn)為當(dāng)進(jìn)水COD 低于250 mg·L時即可視為碳源缺乏，不僅不利于微生物的同化作用，也會同時影響脫氮除磷過程。為了保證較為穩(wěn)定的進(jìn)水水質(zhì)，市政污水會采用高低濃度污水混合的方法，但農(nóng)村生活污水處理不具備這樣的條件。同時，溫度也是影響污水處理效果的重要因素。北方冬季氣溫大幅降低，污水處理站的進(jìn)水水溫可能低至10~15 ℃左右，這樣的低溫會導(dǎo)致微生物代謝活性變差，胞外聚合物累積，從而引發(fā)污泥膨脹。另外有研究表明，在水溫低于15 ℃時，硝化細(xì)菌和亞硝化細(xì)菌活性受到抑制，氨氮去除率明顯降低；當(dāng)水溫低于8 ℃時，活性污泥系統(tǒng)的硝化速率會迅速下降甚至失去硝化能力。

針對農(nóng)村污水體量小、排放波動大等特點，本工程以生物膜A/O 工藝為主體，結(jié)合分段進(jìn)水、出水回流等手段形成一套深度處理工藝。進(jìn)行為期10 個月的運行監(jiān)測，監(jiān)測期覆蓋冬季、夏季兩個季節(jié)，重點探究處理工藝對污染物的去除效果和抗沖擊能力，同時對污染物排放濃度隨季節(jié)的變化規(guī)律進(jìn)行初步揭示。

1 材料和方法

1.1 工程概況

本工程修建于北京近郊山地某鄉(xiāng)村，用于處理全村排放的污水。該村由于地理位置優(yōu)越、自然風(fēng)光好，是城市人口就近避暑度假的首選，因此鄉(xiāng)村游產(chǎn)業(yè)成為當(dāng)?shù)刂萎a(chǎn)業(yè)，全村沒有工業(yè)，沒有規(guī)模化養(yǎng)殖業(yè)。

排放的污水主要為鄉(xiāng)政府、學(xué)校、家庭和旅舍等產(chǎn)生的生活污水和少量餐廳餐飲廢水。綜合常駐人口、旅游旺季高峰人口、往年自來水用量和排污系數(shù)等因素，確定設(shè)計流量為150 m·d，出水設(shè)計水質(zhì)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）一級B 標(biāo)準(zhǔn)。表1 為監(jiān)測的進(jìn)水水質(zhì)幾個重要指標(biāo)與相應(yīng)的出水標(biāo)準(zhǔn)。

表1 進(jìn)水水質(zhì)及出水標(biāo)準(zhǔn) (mg·L-1)

1.2 工藝流程

所有構(gòu)筑物采用平移推流式池型。原污水首先經(jīng)粗細(xì)兩道格柵進(jìn)入沉砂調(diào)節(jié)池，在此初步沉淀并水量調(diào)節(jié)，由兩臺提升泵分別泵入?yún)捬醭睾徒佑|缺氧池，實行分段進(jìn)水，厭氧池出水進(jìn)入接觸缺氧池，之后依次進(jìn)入接觸好氧池、二沉池與出水循環(huán)池，接觸好氧池部分出水回流至接觸缺氧池，使富氧條件下生成的硝態(tài)氮在缺氧池中完成反硝化脫氮。接觸缺氧池與接觸好氧池內(nèi)敷設(shè)軟性纖維填料。二沉池放置兩臺污泥泵分別用于剩余污泥排放與污泥回流，回流污泥至厭氧池。出水循環(huán)池放置一臺水泵，在水量少或冬季低溫時將水重新提升循環(huán)至沉砂調(diào)節(jié)池。

圖1 工藝流程圖

1.3 工藝特點

將傳統(tǒng)活性污泥法與生物膜法特點結(jié)合。在缺氧池和好氧池均敷設(shè)填料，硝化微生物可附著在載體上生長，水力停留時間和泥齡分離使得世代時間較長的硝化菌和反硝化菌易于成長為優(yōu)勢菌種。填料采用軟性纖維填料，填充高度3 m，填充率約75%，該種填料便宜耐用，相對于活性污泥法的同等工藝并不會有明顯的設(shè)備費增加，但基于成熟的運行控制卻能達(dá)到更好的出水水質(zhì)。另外在好氧池，推流池型的應(yīng)用使BOD 濃度隨著水流逐漸減小、DO濃度逐漸增大，這種從進(jìn)水端到出水端形成的反應(yīng)梯度有利于各生物反應(yīng)的有效進(jìn)行、使自養(yǎng)型硝化菌易于在池子中后段BOD 濃度較低處的填料上迅速增殖且不易發(fā)生污泥膨脹。

增設(shè)出水的循環(huán)回流步驟。經(jīng)處理后本可排放的水在旅游淡季原污水排放量少時回流至厭氧池，可保證整個系統(tǒng)正常的水力流動及對填料上生物膜的水力沖刷，促進(jìn)膜的正常脫落與再生。而在冬季低溫時回流可提高污水的停留時間、降低負(fù)荷率，從而改善低溫導(dǎo)致的出水水質(zhì)下降。

1.4 成本分析

本工程總水力停留時間40.9 h，總投資65 萬元，運行成本0.75 元·m（詳見表2）。

表2 成本明細(xì)表

1.5 檢測方法

采樣時間為1 月至10 月間，每6 d 取1 次樣，取樣日上午取1 次、下午取1 次，總?cè)訑?shù)為101 個。

CODcr 采用鉻法便攜式分光光度計測定、NH3-N 采用納氏試劑法便攜式分光光度計測定、TP 采用抗壞血酸-鉬藍(lán)法便攜式分光光度計測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 CODcr 的去除

如圖2 所示，從1 月到10 月整個期間來看，進(jìn)水CODcr 值波動非常大，在10.04～255.0 mg·L之間，平均值87.74 mg·L。上午數(shù)據(jù)和下午數(shù)據(jù)并未看出明顯規(guī)律，但可以發(fā)現(xiàn)隨著一年中氣溫變化，進(jìn)水CODcr 也相應(yīng)波動：在1—3 月，氣溫最低的3 個月中（第1~28 個數(shù)據(jù)）平均值為52.13 mg·L；4—9月（第29~90 個數(shù)據(jù)）氣溫較高，平均值為106.39 mg·L，10 月（第91~101 個數(shù)據(jù)）開始轉(zhuǎn)冷，平均值為76.71 mg·L。分析原因有二：一是天氣寒冷時為旅游淡季，旅社與餐廳關(guān)閉，污染物濃度降低；二是淡季用水人口減少、污水量減少，系統(tǒng)的循環(huán)池回流作用顯現(xiàn)，進(jìn)水處的原污水被回流水稀釋。

圖2 CODcr 去除效果

處理后的出水CODcr 在3.99～63.55 mg·L之間，平均值為24.26 mg·L，除一個數(shù)據(jù)略超過60 mg·L之外其余全部達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）一級B 標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)標(biāo)率99%。CODcr 去除率在6.99%～93.02%之間，其中1—3 月平均去除率54.45%、4—9 月平均去除率67.85%、10 月平均去除率70.13%，總平均去除率64.32%。1—3 月的去除率明顯低于其他月份，一方面是進(jìn)水濃度偏低、營養(yǎng)物質(zhì)的缺乏導(dǎo)致污泥容易進(jìn)入內(nèi)源呼吸狀態(tài)從而影響活性，另一方面從數(shù)據(jù)可以看出，10 月份雖然與1—3 月相同，進(jìn)水濃度大幅度偏低，但平均去除率卻基本相當(dāng)，說明CODcr的去除率與氣溫具有顯著相關(guān)性?？傮w來看，這種類型鄉(xiāng)村的生活污水CODcr 濃度相對較低，波動大，但處理后出水能維持在一個很穩(wěn)定的水平，具有相當(dāng)高的達(dá)標(biāo)率，說明活性污泥的微生物群落結(jié)構(gòu)良好，面對濃度不穩(wěn)定的營養(yǎng)來源及冬季運行有能力調(diào)整并維持在一個穩(wěn)定的代謝節(jié)奏，污水處理工藝具備良好的抗沖擊能力。

2.2 氨氮的去除

如圖3 所示，氨氮進(jìn)水濃度在2.09～35.0 mg·L之間，平均值10.65 mg·L。處理后出水濃度在0.29～15.8 mg·L之間，平均值5.18 mg·L，在全部101 個數(shù)據(jù)中，夏季高溫時有4 個數(shù)據(jù)在8～12 mg·L、溫度較低時有2 個數(shù)據(jù)在15～15.8 mg·L，其余全部達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）一級B 標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)標(biāo)率94%。去除率在在5.54%～96.84%之間，平均值51.0%。

圖3 氨氮去除效果

仍然按照1—3 月、4—9 月、10 月3 個時間段分段統(tǒng)計， 氨氮進(jìn)水平均濃度分別為8.21，11.90，10.02 mg·L，平 均 去 除 率 分 別 為38.28%，54.54%，64.09%。在氣溫影響方面，表現(xiàn)出與COD 相同的趨勢，即溫度最低的1—3 月去除率明顯低于其他月份、進(jìn)水濃度低于其他月份。

氨氮的去除率上下限范圍很大、波動劇烈且并不呈現(xiàn)出明顯規(guī)律，但出水氨氮濃度非常穩(wěn)定，達(dá)標(biāo)率很高，一方面是因為進(jìn)水濃度本身不高；另一方面，認(rèn)為處理系統(tǒng)本身的硝化細(xì)菌發(fā)揮了作用。氨氮這個指標(biāo)是用來衡量污水處理工藝中硝化作用的有效程度，即硝化菌是否有效累積并保持活性。硝化菌對氨氮的去除包括兩個途徑：同化作用和自養(yǎng)氧化為亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮，而目前的理論認(rèn)為由于細(xì)菌細(xì)胞生理需要而去除的氮元素（同化作用）其去除率僅為20%～40%，也有認(rèn)為是8%～20%。本試驗的數(shù)據(jù)中，以40%為限，高于這一去除率的占60%，若考慮進(jìn)水有機氮氨化的部分，高于40%的比例還會更大，而再結(jié)合本處理工藝的一些設(shè)計特點推斷，硝化細(xì)菌已經(jīng)成為優(yōu)勢菌種并發(fā)揮硝化作用。

2.3 TP 的去除

如圖4 所示，總磷進(jìn)水濃度在0.34～4.38 mg·L之間，平均值1.78 mg·L。處理后出水濃度在0.01～1.59 mg·L之間，平均值0.86 mg·L。去除率在2.35%～98.12%之間，平均值46.06%。

圖4 總磷去除效果

按照1—3 月、4—9 月、10 月三個時間段分段統(tǒng)計，總磷進(jìn)水平均濃度分別為1.22，2.09，1.54 mg·L，平均去除率分別為39.29%，50.00%，41.79%。1—3月與10 月相比進(jìn)水濃度相近，氣溫差距很大，但去除率并未因溫度差異發(fā)生相同程度的變化，因此與CODcr 和氨氮所呈現(xiàn)出的溫度顯著影響去除率不同，進(jìn)水濃度是相關(guān)性更大的影響因素。

達(dá)標(biāo)率方面，在超標(biāo)的32 個數(shù)據(jù)中，22 個數(shù)據(jù)在1.0～1.2 mg·L，10 個數(shù)據(jù)在1.25～1.59 mg·L，其余全部達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）一級B 標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)標(biāo)率68.3%。雖然出水平均值滿足一級A 排放，但相對于CODcr 與氨氮，總磷的去除率和達(dá)標(biāo)率最低，分析原因可能為好氧池增設(shè)生物膜填料，聚磷菌附著于更有利于生長的填料上，游離菌減少，從二沉池回流至厭氧池再生的菌也減少，聚磷菌長期釋磷不良而又增殖速率較慢，造成有效作用的菌少且活性不高。

3 結(jié)論

基于足夠長時間的運行監(jiān)測，從CODcr、NH-N和TP 3 個污染指標(biāo)的出水平均值和達(dá)標(biāo)率兩方面看，采用的處理工藝充分滿足農(nóng)村生活污水處理需求且運行具有高度穩(wěn)定性。其中CODcr 和NH-N的去除率和達(dá)標(biāo)率高于TP 的，這與絕大部分污水處理工藝是一致的，不論是市政級的污水處理廠還是小型一體化處理設(shè)備，TP 一直是較為難以脫除的污染物，其代謝機理也是最不明確的。在環(huán)境氣溫對運行效果的影響方面，通過按季節(jié)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，氣溫是CODcr 和NH-N 去除率的主要影響因素，而進(jìn)水濃度是TP 的主要影響因素。但是本工藝基于生物膜污泥體系以及分段進(jìn)、出水回流技術(shù)特點，使得這種冬季低溫造成的處理效果下降處于可接受的范圍內(nèi)。綜上，本工藝在技術(shù)上做出了創(chuàng)新與優(yōu)化，同時兼顧運行成本的經(jīng)濟性，非常符合農(nóng)村的市場特點，具有廣泛應(yīng)用前景。

得到以下結(jié)論：

（1）本工藝經(jīng)過10 個月運行監(jiān)測，其CODcr、氨氮和總磷的平均去除率分別為64.32%，51.00%，46.06%，水質(zhì)達(dá)標(biāo)率分別為99%，94%，68%。出水平均濃度均達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）一級B。

（2）農(nóng)村生活污水污染物濃度呈現(xiàn)季節(jié)性差異，夏季污染物濃度高，冬季污染物濃度低，同時氣溫對COD 和氨氮去除率的影響大于對總磷去除率的影響。